JPWO2006068082A1 - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

本発明は、高精度の検知回路を必要とせず、ノイズ環境下であっても、半導体チップの温度を精度よく監視できる半導体装置を提供することを目的とする。ＩＧＢＴチップ（２４）上にＰＴＣ素子（９）を接合する。そして、定電流源（２２）によりＰＴＣ素子（９）に一定の電流を流し、電圧モニター（２３）により、ＰＴＣ素子（９）の出力電圧を検出する。そして、出力電圧の変化が大きくなると、検出回路によりゲート電極（６）に印加される電圧を下げる。ＰＴＣ素子（９）をＩＧＢＴチップ（２４）上に直接配設しているため、高精度にＩＧＢＴチップ（２４）の温度を監視できる。さらに、ＰＴＣ素子（９）は、１℃当たりの出力電圧の変化が大きいため、高精度の検知回路が不要となり、ノイズ環境下でもＩＧＢＴチップ（２４）の温度を精度よく監視することができる。An object of the present invention is to provide a semiconductor device that does not require a highly accurate detection circuit and can accurately monitor the temperature of a semiconductor chip even in a noisy environment. The PTC element (9) is joined on the IGBT chip (24). Then, a constant current is supplied to the PTC element (9) by the constant current source (22), and the output voltage of the PTC element (9) is detected by the voltage monitor (23). When the change in the output voltage increases, the voltage applied to the gate electrode (6) by the detection circuit is lowered. Since the PTC element (9) is directly disposed on the IGBT chip (24), the temperature of the IGBT chip (24) can be monitored with high accuracy. Further, since the PTC element (9) has a large change in output voltage per 1 ° C., a highly accurate detection circuit is not required, and the temperature of the IGBT chip (24) can be accurately monitored even in a noise environment.

Description

本発明は、温度センサを備えた半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device provided with a temperature sensor.

電力制御用などに多用されているパワー用途の半導体装置は、使用電流の増加とともに温度の上昇が生じる。ときに過剰な使用がなされる場合があり、その場合には上昇した温度が限界値を越え、半導体装置の誤動作の原因になり、また破損にいたるおそれがある。   In a power-use semiconductor device that is frequently used for power control or the like, the temperature rises as the current used increases. In some cases, excessive use may occur. In this case, the increased temperature exceeds the limit value, which may cause malfunction of the semiconductor device and may cause damage.

そこで、例えば特許文献１に開示された発明では、ダイオード温度センサが半導体チップ内に形成され、半導体チップの温度を監視し、過剰な温度上昇を検知した場合は、半導体装置の動作を抑制するように設計されている。   Therefore, for example, in the invention disclosed in Patent Document 1, a diode temperature sensor is formed in a semiconductor chip, and the temperature of the semiconductor chip is monitored. When an excessive temperature rise is detected, the operation of the semiconductor device is suppressed. Designed to.

特開２０００−３１２９０号公報JP 2000-31290 A

この他に従来から使用されている温度センサとして、ＩＣ温度センサがある。これらの温度センサは、微小電流を流して出力電圧をモニターすることにより温度を検知している。何れも広範囲の温度を測れる特長があるが１℃当たりの出力電圧の変化は小さく、その変化量は数ｍＶである。   In addition, there is an IC temperature sensor as a temperature sensor conventionally used. These temperature sensors detect temperature by flowing a minute current and monitoring the output voltage. Each of them has the feature that it can measure a wide range of temperatures, but the change in output voltage per 1 ° C. is small, and the amount of change is several mV.

そのため、変化量を検知するためには、数ｍＶの出力電圧の差を検知可能な高精度の検知回路を備える必要がある。さらに、半導体装置が使用される環境はノイズが多いため、微小な出力電圧ではノイズにかき消され、十分に温度のモニターができないという問題点がある。   Therefore, in order to detect the amount of change, it is necessary to provide a highly accurate detection circuit that can detect a difference in output voltage of several mV. Further, since the environment in which the semiconductor device is used is noisy, there is a problem that the temperature cannot be sufficiently monitored because the noise is drowned out by a very small output voltage.

また、ダイオード温度センサは、半導体チップに直接配設可能であるが、ばらつきが大きく、温度測定精度上の問題もある。   Although the diode temperature sensor can be directly disposed on the semiconductor chip, there is a large variation and there is a problem in temperature measurement accuracy.

さらに、ＩＣ温度センサは、温度測定精度がよいが、半導体チップに直接配設できないため、熱伝導部材を経由して測定せざるを得ない。そのため、半導体チップのＩＣ温度センサの熱抵抗が問題となり、やはり精度よい温度測定は困難である。   Furthermore, although the IC temperature sensor has good temperature measurement accuracy, it cannot be directly disposed on the semiconductor chip, so it must be measured via a heat conducting member. For this reason, the thermal resistance of the IC temperature sensor of the semiconductor chip becomes a problem, and it is difficult to accurately measure the temperature.

それぞれの温度センサには以上のような問題があるため、そのような温度センサを用いた半導体装置では、ノイズ環境下において精度よく半導体チップの温度を監視することは困難である。   Since each temperature sensor has the above problems, it is difficult to accurately monitor the temperature of the semiconductor chip in a noise environment in a semiconductor device using such a temperature sensor.

本発明は、高精度の検知回路を必要とせず、ノイズ環境下であっても、半導体チップの温度を精度よく監視できる半導体装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device that does not require a highly accurate detection circuit and can accurately monitor the temperature of a semiconductor chip even in a noisy environment.

本発明に係る半導体装置の態様は、エミッタ側主電極及びコレクタ側主電極を有する半導体チップと、前記エミッタ側主電極上に接合され、温度に応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子と、を備え、前記可変抵抗素子は、前記可変抵抗素子の表面もしくは内部の少なくとも一部に形成された第１電極と、前記可変抵抗素子の表面もしくは内部の前記第１電極以外の少なくとも一部に形成された第２電極と、を備えることを特徴としている。   An aspect of a semiconductor device according to the present invention includes: a semiconductor chip having an emitter-side main electrode and a collector-side main electrode; and a variable resistance element that is bonded on the emitter-side main electrode and has a resistance value that varies with temperature. And the variable resistance element is formed on at least a part of the variable resistance element other than the first electrode on the surface or inside of the variable resistance element. And a second electrode.

本発明に係る半導体装置の態様によれば、可変抵抗素子を発熱源となるエミッタ電極上に配置しているため、可変抵抗素子の抵抗の変化を検出することで、高精度に半導体チップの温度を検出できる。また、１℃当たりの抵抗の変化率が大きな可変抵抗素子を採用することで、高精度の検知回路が不要となり、ノイズ環境下でも半導体チップの温度を精度よく検出することができる。さらに、接地電極上に可変抵抗素子を接合することで、可変抵抗素子への電界の影響が低減され、高精度な温度検出が可能になる。   According to the aspect of the semiconductor device according to the present invention, since the variable resistance element is arranged on the emitter electrode serving as a heat source, the temperature of the semiconductor chip can be detected with high accuracy by detecting the change in resistance of the variable resistance element. Can be detected. In addition, by adopting a variable resistance element having a large resistance change rate per 1 ° C., a highly accurate detection circuit becomes unnecessary, and the temperature of the semiconductor chip can be detected accurately even in a noisy environment. Furthermore, by joining the variable resistance element on the ground electrode, the influence of the electric field on the variable resistance element is reduced, and highly accurate temperature detection is possible.

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。   The objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す拡大断面図である。1 is an enlarged cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態１に係るＰＴＣ素子の接合位置を説明するための上面図である。FIG. 4 is a top view for explaining a bonding position of the PTC element according to the first embodiment. 実施の形態１に係るＰＴＣ素子の接合位置を説明するための断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a bonding position of the PTC element according to the first embodiment. 実施の形態１に係るＰＴＣ素子の温度‐抵抗率の特性を示す図である。FIG. 3 is a graph showing temperature-resistivity characteristics of the PTC element according to the first embodiment. 実施の形態１に係る半導体装置の等価回路図である。2 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 実施の形態１に係るＰＴＣ素子の出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a simulation result of an output voltage of the PTC element according to the first embodiment. 実施の形態１に係る検知回路の一例の構成を示す回路図である。3 is a circuit diagram illustrating a configuration of an example of a detection circuit according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態１に係るＰＴＣ素材の膜厚に対する検知回路の検出時間の計算結果を示した図である。It is the figure which showed the calculation result of the detection time of the detection circuit with respect to the film thickness of the PTC material which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態１に係る超音波併用熱圧着方式によるＰＴＣ素子の接合工程を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a joining process of the PTC element by the ultrasonic combined thermocompression bonding method according to the first embodiment. 従来の温度センサのＩＧＢＴチップへの配置例を示す上面図である。It is a top view which shows the example of arrangement | positioning to the IGBT chip | tip of the conventional temperature sensor. 実施の形態２に係る半導体装置のＰＴＣ素子近傍の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration in the vicinity of a PTC element of a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態８に係る半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to an eighth embodiment. 実施の形態８に係るＮＴＣ素子の温度‐抵抗率の特性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a temperature-resistivity characteristic of an NTC element according to an eighth embodiment. 実施の形態８に係るパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a power semiconductor module according to an eighth embodiment. 実施の形態８に係るパワー半導体モジュールの構成を示す等価回路図である。FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing a configuration of a power semiconductor module according to an eighth embodiment. 実施の形態８に係るＮＴＣ素子の厚さと検出時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of the NTC element which concerns on Embodiment 8, and detection time.

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。本実施の形態１に係る半導体装置１００は、半導体チップの一種であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップ２４に、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子（ＰＴＣ温度センサ）９が接合されている。<Embodiment 1>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device 100 according to the first embodiment. In the semiconductor device 100 according to the first embodiment, a PTC (Positive Temperature Coefficient) element (PTC temperature sensor) 9 is joined to an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) chip 24 which is a kind of semiconductor chip.

半導体層６００の上面にシリコン酸化膜７が形成されている。そして、シリコン酸化膜７には、複数のエミッタ電極８が形成されている。   A silicon oxide film 7 is formed on the upper surface of the semiconductor layer 600. A plurality of emitter electrodes 8 are formed on the silicon oxide film 7.

ここで、エミッタ電極８は、通常接地電位に接続される。   Here, the emitter electrode 8 is normally connected to the ground potential.

そして、エミッタ電極８上には、複数のエミッタ電極８を接続するためのアルミニウム層４１０が形成されている。ここで、複数のエミッタ電極８とアルミニウム層４１０を合わせてエミッタ側主電極と理解できる。   An aluminum layer 410 for connecting a plurality of emitter electrodes 8 is formed on the emitter electrode 8. Here, the plurality of emitter electrodes 8 and the aluminum layer 410 can be understood as an emitter-side main electrode.

そして、そのアルミニウム層４１０上にＰＴＣ素子９が接合されている。ＰＴＣ素子９は、温度に応じて抵抗値が変化し、正の温度係数を有する可変抵抗素子である。そして、半導体層６００のＰＴＣ素子９が接合された面とは反対側の面にはコレクタ電極１０が形成されている。ここで、コレクタ電極１０はコレクタ側主電極と理解できる。   And the PTC element 9 is joined on the aluminum layer 410. The PTC element 9 is a variable resistance element having a positive temperature coefficient and a resistance value that changes according to temperature. And the collector electrode 10 is formed in the surface on the opposite side to the surface where the PTC element 9 of the semiconductor layer 600 was joined. Here, the collector electrode 10 can be understood as a collector-side main electrode.

ＰＴＣ素子９に定電流源２２が接続されている。そして、ＰＴＣ素子９の出力電圧を監視する電圧モニター２３がＰＴＣ素子９に接続されている。   A constant current source 22 is connected to the PTC element 9. A voltage monitor 23 that monitors the output voltage of the PTC element 9 is connected to the PTC element 9.

次に、図２を用いて、図１に示した半導体装置１００の構成についてより詳細に説明する。図２は、図１の部分７００における、半導体装置１００の構成を示す拡大断面図である。   Next, the configuration of the semiconductor device 100 illustrated in FIG. 1 will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device 100 in the portion 700 of FIG.

不純物濃度の高いｐ（ｐ+）型半導体基板４上に不純物濃度の少ないｎ型半導体層（ｎ-層）２が形成されている。ｎ-層２の表層部には、ｐ型半導体領域（ｐ領域）１が形成されている。ｐ領域１の表層部に、不純物濃度の高いｎ型半導体領域（ｎ+領域）３が形成されている。An n-type semiconductor layer (n − layer) 2 having a low impurity concentration is formed on a p (p + ) type semiconductor substrate 4 having a high impurity concentration. A p-type semiconductor region (p region) 1 is formed in the surface layer portion of the n − layer 2. An n-type semiconductor region (n + region) 3 having a high impurity concentration is formed in the surface layer portion of the p region 1.

ｎ-層２上には、シリコン酸化膜７が形成されている。シリコン酸化膜７内には、ポリシリコンゲート５が形成されている。ポリシリコンゲート５は、ｎ-層２とｎ+領域３に挟まれたｐ領域１の上方に形成されている。そして、ポリシリコンゲート５上には、ゲート電極６が形成されている。ｎ+領域３に接するように、エミッタ電極（電流出力電極）８がシリコン酸化膜７内に形成されている。シリコン酸化膜７上には、アルミニウム層４１０が形成されている。ｐ型半導体基板４の裏面にはコレクタ電極１０が形成されている。A silicon oxide film 7 is formed on the n − layer 2. A polysilicon gate 5 is formed in the silicon oxide film 7. Polysilicon gate 5 is formed above p region 1 sandwiched between n − layer 2 and n + region 3. A gate electrode 6 is formed on the polysilicon gate 5. An emitter electrode (current output electrode) 8 is formed in the silicon oxide film 7 so as to be in contact with the n + region 3. An aluminum layer 410 is formed on the silicon oxide film 7. A collector electrode 10 is formed on the back surface of the p-type semiconductor substrate 4.

次に、図１を参照して、ＰＴＣ素子９の構成について詳細に説明する。ＰＴＣ素子９は、ＰＴＣ素材１２（正の温度係数を有するＰＴＣ材）と、ＰＴＣ素材１２の一方の主面上に形成された銅箔電極１１ａ（第１電極）と、ＰＴＣ素材１２の他方の主面上に形成された銅箔電極１１ｂ（第２電極）と、を備えている。すなわち、ＰＴＣ素材１２の両主面に銅箔電極１１ａ（正），１１ｂ（負）を融着して接合したものである。銅箔電極１１ａ，１１ｂの厚みは例えば１μｍから１００μｍである。ここで、ＰＴＣ素材１２は、有機ポリマーに導電性粒子を混入したものである。   Next, the configuration of the PTC element 9 will be described in detail with reference to FIG. The PTC element 9 includes a PTC material 12 (a PTC material having a positive temperature coefficient), a copper foil electrode 11a (first electrode) formed on one main surface of the PTC material 12, and the other of the PTC material 12. And a copper foil electrode 11b (second electrode) formed on the main surface. That is, the copper foil electrodes 11a (positive) and 11b (negative) are fused and joined to both main surfaces of the PTC material 12. The thickness of the copper foil electrodes 11a and 11b is, for example, 1 μm to 100 μm. Here, the PTC material 12 is a mixture of conductive particles in an organic polymer.

ここで、ＰＴＣ素材１２の厚さは、０．１ｍｍ以上０．３７ｍｍ以下に形成されている。   Here, the thickness of the PTC material 12 is 0.1 mm or more and 0.37 mm or less.

ＰＴＣ素材１２に１００Ｖ／ｍｍ以上の電圧が印加されると原理的に抵抗値が急激に減少し、温度センサとして使用することが困難になる。   When a voltage of 100 V / mm or more is applied to the PTC material 12, in principle, the resistance value suddenly decreases, making it difficult to use as a temperature sensor.

ＰＴＣ素子９に接続される電源は、１０Ｖ程度の定電圧電源であることが多い。そのため、ＰＴＣ素材１２の厚みが０．１ｍｍ以下になると、１００Ｖ／ｍｍ以上の電圧が印加される。その結果、ＰＴＣ素子９を温度センサとして使用するために、ＰＴＣ素材１２は０．１ｍｍ以上の膜厚が必要になる。   The power source connected to the PTC element 9 is often a constant voltage power source of about 10V. Therefore, when the thickness of the PTC material 12 is 0.1 mm or less, a voltage of 100 V / mm or more is applied. As a result, in order to use the PTC element 9 as a temperature sensor, the PTC material 12 needs to have a film thickness of 0.1 mm or more.

さらに、後述するように、ＰＴＣ素子９を温度センサとして使用した場合に、半導体チップの温度上昇の検出時間を０．５秒以下にするために、ＰＴＣ素材１２の膜厚は０．３７ｍｍ以下にする必要がある。   Further, as will be described later, when the PTC element 9 is used as a temperature sensor, the film thickness of the PTC material 12 is set to 0.37 mm or less in order to make the detection time of the temperature rise of the semiconductor chip 0.5 seconds or less. There is a need to.

次に、図３、４を参照して、ＰＴＣ素子９の接合位置について説明する。図３は、本実施の形態１に係るＰＴＣ素子９の接合位置を説明するための上面図である。また図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。   Next, the joining position of the PTC element 9 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a top view for explaining the bonding position of the PTC element 9 according to the first embodiment. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

図３，４に示すように、ＰＴＣ素子９は、上面からみてＩＧＢＴチップ２４の中央部に配置されている。ＩＧＢＴチップ２４の温度は、中央部が最も高くなる。これは、ＩＧＢＴチップ２４の周辺部では、周囲への放熱があるからである。最も精度よく最高温度を検出するには、最も温度が高くなるＩＧＢＴチップ２４の中央部が望ましいので、チップ中央部にＰＴＣ素子９を接合する。   As shown in FIGS. 3 and 4, the PTC element 9 is disposed at the center of the IGBT chip 24 as viewed from above. The temperature of the IGBT chip 24 is highest at the center. This is because there is heat radiation to the periphery in the peripheral portion of the IGBT chip 24. In order to detect the maximum temperature with the highest accuracy, the central portion of the IGBT chip 24 where the temperature is highest is desirable. Therefore, the PTC element 9 is bonded to the central portion of the chip.

次に、図５を参照して以上説明した構成を備えるＰＴＣ素子９の特性について説明する。図５は、ＰＴＣ素子９の温度（横軸）−抵抗率（縦軸）の特性を示す図である。   Next, characteristics of the PTC element 9 having the configuration described above with reference to FIG. 5 will be described. FIG. 5 is a graph showing the temperature (horizontal axis) -resistivity (vertical axis) characteristics of the PTC element 9.

ＰＴＣ素材１２は、有機ポリマーとしてポリエチレンと炭化タングステンの粒子から構成される有機ポリマーコンパウンドである。図５から、ＰＴＣ素材１２は、正の温度係数を有し、１３０℃を境にして、急激に抵抗率が上昇しているのがわかる。そのため、ＰＴＣ素子９に微小電流を流し、その出力電圧をモニターすると、１２９℃までは電圧が低いが、１３０℃で急激に電圧が高くなる。その結果、ＰＴＣ素子９により、温度が１３０℃より大きいか、もしくは小さいかを検知することができる。   The PTC material 12 is an organic polymer compound composed of polyethylene and tungsten carbide particles as an organic polymer. From FIG. 5, it can be seen that the PTC material 12 has a positive temperature coefficient, and the resistivity rapidly increases at 130 ° C. as a boundary. Therefore, when a minute current is passed through the PTC element 9 and the output voltage is monitored, the voltage is low until 129 ° C., but the voltage rapidly increases at 130 ° C. As a result, the PTC element 9 can detect whether the temperature is higher or lower than 130 ° C.

次に、図１，２，６を参照して、本実施の形態１に係る半導体装置１００の動作について説明する。図６は、以上のように構成された半導体装置１００の等価回路図である。図１に対応する構成には、図１と同一の符号を付している。   Next, the operation of the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device 100 configured as described above. The components corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.

ＩＧＢＴチップ２４のエミッタ電極８は接地され、ＰＴＣ素子９の一端が接続されている。ＰＴＣ素子９の他端は、定電流源２２に接続されている。そして、ＰＴＣ素子９の両端の電圧を電圧モニター２３により監視している。   The emitter electrode 8 of the IGBT chip 24 is grounded, and one end of the PTC element 9 is connected. The other end of the PTC element 9 is connected to a constant current source 22. The voltage across the PTC element 9 is monitored by the voltage monitor 23.

コレクタ電極１０（図２参照）に正の電圧を印加し、エミッタ電極８を接地する。その状態で、エミッタ電極８に対して正の電圧をゲート電極６に加えると、ポリシリコンゲート５直下のｐ領域１部分に、電子の集まったｎ型チャネルが形成される。   A positive voltage is applied to the collector electrode 10 (see FIG. 2), and the emitter electrode 8 is grounded. In this state, when a positive voltage is applied to the gate electrode 6 with respect to the emitter electrode 8, an n-type channel in which electrons are collected is formed in the p region 1 portion immediately below the polysilicon gate 5.

エミッタ電極８から供給される電子は、ｎ+層３、ｐ領域１内に形成されたｎ型チャネル、ｎ-層２を経由してｐ型半導体基板４、コレクタ電極１０にいたる経路を流れる。この過程で、ｎ-層２に過剰の電子が流入するのに同期して、不純物の多いｐ型半導体基板４からホールがｎ-層２に供給される。すなわち、電子とホールがｎ-層２で結合する形で電流が流れ、スイッチオン状態となる。ゲート電極６の電圧を印加するのをやめると、上述の現象は起きず、スイッチオフ状態となる。Electrons supplied from the emitter electrode 8 flow through a path from the n + layer 3, the n-type channel formed in the p region 1, and the n − layer 2 to the p-type semiconductor substrate 4 and the collector electrode 10. In this process, n - and excess electrons in the layer 2 is synchronized to the inflow, holes from more p-type semiconductor substrate 4 having the impurity the n - is supplied to the layer 2. That is, a current flows in a form in which electrons and holes are combined in the n − layer 2 and the switch is turned on. When the application of the voltage of the gate electrode 6 is stopped, the above phenomenon does not occur and the switch is turned off.

スイッチオフ状態で、エミッタ電極８・コレクタ電極１０間に電流は流れず、スイッチオン状態で、エミッタ電極８・コレクタ電極１０間の電圧が小さくなるため、熱発生は小さい。しかし、スイッチオン状態からスイッチオフ状態、あるいはスイッチオフ状態からスイッチオン状態への切り替え時には、エミッタ電極８・コレクタ電極１０間に電流、電圧とも生じ、ジュール熱が発生する。そして、ジュール熱による半導体装置１００の熱破壊を避けるため、温度を例えば１２５℃、あるいは１３０℃、もしくは１５０℃、または１７５℃以下の温度に制御する必要がある。   In the switch-off state, no current flows between the emitter electrode 8 and the collector electrode 10, and in the switch-on state, the voltage between the emitter electrode 8 and the collector electrode 10 becomes small, so heat generation is small. However, when switching from the switch-on state to the switch-off state or from the switch-off state to the switch-on state, both current and voltage are generated between the emitter electrode 8 and the collector electrode 10, and Joule heat is generated. In order to avoid thermal destruction of the semiconductor device 100 due to Joule heat, it is necessary to control the temperature to, for example, 125 ° C., 130 ° C., 150 ° C., or 175 ° C. or lower.

そこで、ＩＧＢＴチップ２４の温度検出のために、ＰＴＣ素子９に電流を流し、その電圧値を読み取る。   Therefore, in order to detect the temperature of the IGBT chip 24, a current is passed through the PTC element 9, and the voltage value is read.

図７は、本実施の形態１に係る半導体装置１００のシミュレーション結果を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of the semiconductor device 100 according to the first embodiment.

横軸は、半導体チップのチップ温度の上昇を開始してからの経過時間（単位ｓ）を示し、縦軸は、ＰＴＣ素子９両端の電圧（出力電圧、単位Ｖ）を示している。   The horizontal axis indicates the elapsed time (unit s) from the start of the increase in the chip temperature of the semiconductor chip, and the vertical axis indicates the voltage (output voltage, unit V) across the PTC element 9.

そして、半導体チップが１００℃から１３０℃まで温度上昇した場合（実線）と、１００℃から１２９℃まで温度上昇した場合（破線）における、ＰＴＣ素子９の電圧変化を示している。また、ＰＴＣ素子９には１ｍＡの電流を流している。   And the voltage change of the PTC element 9 when the temperature of the semiconductor chip is increased from 100 ° C. to 130 ° C. (solid line) and when the temperature is increased from 100 ° C. to 129 ° C. (broken line) is shown. In addition, a current of 1 mA is passed through the PTC element 9.

図７からわかるように、１００℃から１２９℃へ温度上昇してもほとんどＰＴＣ素子９に電圧変化はない。しかし、１００℃から１３０℃への温度上昇では数Ｖの電圧変化があることがわかる。このような電圧変化があるため、検知回路は単純で、安価なものでも十分電圧変化を検知することが可能となる。   As can be seen from FIG. 7, even if the temperature rises from 100 ° C. to 129 ° C., there is almost no voltage change in the PTC element 9. However, it can be seen that there is a voltage change of several volts when the temperature rises from 100 ° C to 130 ° C. Since there is such a voltage change, the detection circuit is simple and it is possible to sufficiently detect the voltage change even with an inexpensive one.

図８は、検知回路の一例の構成を示す回路図である。電源電圧２０１にＰＴＣ素子９の一端が接続されている。ＰＴＣ素子９の他端は、接続点２０７において、抵抗２０５の一端に接続されている。抵抗２０５の他端は接地されている。そして、接続点２０７における電圧がゲート電圧としてＩＧＢＴチップ２４のゲート電極６に出力される。   FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of an example of the detection circuit. One end of the PTC element 9 is connected to the power supply voltage 201. The other end of the PTC element 9 is connected to one end of a resistor 205 at a connection point 207. The other end of the resistor 205 is grounded. The voltage at the connection point 207 is output to the gate electrode 6 of the IGBT chip 24 as the gate voltage.

次に、図８を参照して検知回路の動作について説明する。ＩＧＢＴチップ２４の温度が１３０℃以上になると、ＰＴＣ素子９の抵抗値が大きくなるため、接続点２０７の電圧が低くなり、半導体チップのターンオン電圧以下となる。ターンオン電圧以下となると、コレクタ−エミッタ間に電流が流れなくなり、ＩＧＢＴチップ２４の温度上昇がとまり、熱破壊を防止する。   Next, the operation of the detection circuit will be described with reference to FIG. When the temperature of the IGBT chip 24 is 130 ° C. or higher, the resistance value of the PTC element 9 is increased, so that the voltage at the connection point 207 is decreased to be equal to or lower than the turn-on voltage of the semiconductor chip. When the turn-on voltage or less is reached, no current flows between the collector and the emitter, the temperature rise of the IGBT chip 24 is stopped, and thermal destruction is prevented.

なお、抵抗２０５の抵抗値、及び電源電圧２０１の大きさは、ＰＴＣ素子９の抵抗値が大きくなったときに、接続点２０７から出力されるゲート電圧がＩＧＢＴチップ２４のターンオン電圧以下になるように適当な値に設定されている。   Note that the resistance value of the resistor 205 and the magnitude of the power supply voltage 201 are set so that the gate voltage output from the connection point 207 is equal to or lower than the turn-on voltage of the IGBT chip 24 when the resistance value of the PTC element 9 increases. Is set to an appropriate value.

以上のような検知回路を用いて、ＩＧＢＴチップ２４の温度上昇を検出する場合には、より短い時間で温度上昇を検出できるほうがより効果的にＩＧＢＴチップ２４の熱破壊を防止できる。   When detecting the temperature rise of the IGBT chip 24 using the detection circuit as described above, the thermal destruction of the IGBT chip 24 can be more effectively prevented by detecting the temperature rise in a shorter time.

図９は、ＰＴＣ素子９を検知回路に使用した場合に、ＰＴＣ素材１２の膜厚と検知回路による検出時間の関係のシミュレーション結果を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a simulation result of the relationship between the film thickness of the PTC material 12 and the detection time by the detection circuit when the PTC element 9 is used for the detection circuit.

ラインａは、ＩＧＢＴチップ２４が１００℃で定常動作中に、１００μｓ間何らかの発熱があり、その発熱によってＩＧＢＴチップ２４の温度が１５０℃まで上昇した後、検知回路がその温度上昇を検出するのに要した時間を示している。図９に示すように、検知回路の検出時間は、ＰＴＣ素子９のＰＴＣ素材１２の厚さと関係がある。   Line a indicates that the IGBT chip 24 generates heat for 100 μs during steady operation at 100 ° C., and after the temperature of the IGBT chip 24 rises to 150 ° C. due to the heat generation, the detection circuit detects the temperature increase. It shows the time required. As shown in FIG. 9, the detection time of the detection circuit is related to the thickness of the PTC material 12 of the PTC element 9.

また、図９中ラインｂは、ＰＴＣ素材１２の厚さと検出時間が正比例した場合の関係を示す補助直線である。   Further, a line b in FIG. 9 is an auxiliary straight line showing a relationship when the thickness of the PTC material 12 is directly proportional to the detection time.

図９に示すように、ＰＴＣ素材１２の膜厚が薄くなると、検出時間は短くなることがわかる。実際の適用上、検出時間は０．５ｓ以下であることが望ましく、その結果、ＰＴＣ素材１２の膜厚は、０．３７ｍｍ以下にすることが必要である。   As shown in FIG. 9, it can be seen that the detection time is shortened when the thickness of the PTC material 12 is reduced. In actual application, the detection time is desirably 0.5 s or less, and as a result, the film thickness of the PTC material 12 needs to be 0.37 mm or less.

ここで、図９には、前述したＰＴＣ素材１２の膜厚が０．１ｍｍの場合の検出時間も図示している。   Here, FIG. 9 also shows the detection time when the film thickness of the PTC material 12 is 0.1 mm.

次に本実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described.

まず、通常の製造工程によりＩＧＢＴチップ２４を製造する。次に、ＰＴＣ素子９をＩＧＢＴチップ２４上に接合する。このＰＴＣ素子９の接合場所であるが、エミッタ電極８は接地されることが多く電位が低いので、電界がＰＴＣ素子９に及ぼす影響を低減できる。そのため、ＰＴＣ素子９はエミッタ電極８上に接合する。   First, the IGBT chip 24 is manufactured by a normal manufacturing process. Next, the PTC element 9 is bonded onto the IGBT chip 24. Although it is the junction location of the PTC element 9, the emitter electrode 8 is often grounded and has a low potential, so that the influence of the electric field on the PTC element 9 can be reduced. Therefore, the PTC element 9 is bonded onto the emitter electrode 8.

接合する際、通常の半田を使用すると、接合時の温度が高いため、ＰＴＣ素子９に損傷を与える。そのため、接合時の温度が低くて済む接合手段が望ましい。また、ＩＧＢＴチップ２４の表面は通常、アルミニウム（Ａｌ）が蒸着あるいはスパッタされている。したがって、アルミニウムと銅を接合可能な接合方法である必要がある。   If normal solder is used for bonding, the temperature at the time of bonding is high, and the PTC element 9 is damaged. Therefore, a joining means that requires a low temperature during joining is desirable. Also, the surface of the IGBT chip 24 is usually deposited or sputtered with aluminum (Al). Therefore, it is necessary to be a joining method capable of joining aluminum and copper.

そこで、接合には図１０に示す超音波併用熱圧着方式を使用する。図１０は、超音波併用熱圧着方式によるＰＴＣ素子９の接合工程を説明するための図である。   Therefore, the ultrasonic thermocompression bonding method shown in FIG. 10 is used for joining. FIG. 10 is a diagram for explaining a bonding process of the PTC element 9 by the ultrasonic combined thermocompression bonding method.

これはＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ｂとＩＧＢＴチップ２４表面、すなわち本実施の形態１ではエミッタ電極８上のアルミニウム層４１０表面との間に金バンプ（導電性ろう材）１４を挟み、加振装置１３を介して超音波振動をＰＴＣ素子９あるいはＩＧＢＴチップ２４に与えるもので、ほとんど温度上昇なく接合することができる。また本接合方法は、アルミニウム−銅間での接合が可能となる。   This is because a gold bump (conductive brazing material) 14 is sandwiched between the copper foil electrode 11b of the PTC element 9 and the surface of the IGBT chip 24, that is, the surface of the aluminum layer 410 on the emitter electrode 8 in the first embodiment. The ultrasonic vibration is applied to the PTC element 9 or the IGBT chip 24 through the device 13, and the bonding can be performed with almost no increase in temperature. Moreover, this joining method enables joining between aluminum and copper.

以下、本実施の形態１に係る半導体装置１００の効果について説明する。図１１は、従来の温度センサ６０２のＩＧＢＴチップ２４への配置例を示す上面図である。ＩＧＢＴチップ２４のエミッタ電極８が存在する領域６０１は、ＩＧＢＴチップ２４の動作時に、電流が流れる経路となり発熱する。   Hereinafter, effects of the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described. FIG. 11 is a top view showing an arrangement example of the conventional temperature sensor 602 on the IGBT chip 24. The region 601 where the emitter electrode 8 of the IGBT chip 24 is present becomes a path through which a current flows when the IGBT chip 24 operates, and generates heat.

従来は、エミッタ電極８が存在する領域６０１上に温度センサ６０２を配置することができなかった。すなわち、ＩＧＢＴチップ２４のエミッタ電極８上には、通常アルミニウム層４１０が蒸着により形成されている。そして、アルミニウムと銅を半田により接合することは困難であることが一般的に知られている。   Conventionally, the temperature sensor 602 cannot be disposed on the region 601 where the emitter electrode 8 exists. That is, an aluminum layer 410 is usually formed on the emitter electrode 8 of the IGBT chip 24 by vapor deposition. It is generally known that it is difficult to join aluminum and copper with solder.

発熱源となる電流経路上に温度センサ６０２を配置できない結果、絶縁スペース６０３を新たに設けて、その絶縁スペース６０３に温度センサ６０２を配置する必要があった。   As a result of not being able to arrange the temperature sensor 602 on the current path serving as a heat source, it is necessary to newly provide an insulating space 603 and arrange the temperature sensor 602 in the insulating space 603.

そのため、絶縁スペース６０３だけ、領域６０１を広げる必要があり、ＩＧＢＴチップ２４が大型化する問題があった。また、温度センサ６０２は、発熱源である電流経路上から離れているため、ＩＧＢＴチップ２４の最高温度を検知することは困難であった。   Therefore, it is necessary to expand the region 601 by the insulating space 603, and there is a problem that the IGBT chip 24 is increased in size. Further, since the temperature sensor 602 is away from the current path that is a heat source, it is difficult to detect the maximum temperature of the IGBT chip 24.

本実施の形態１に係る半導体装置１００では、ＰＴＣ素子９の接合に超音波併用熱圧着方式を使用しているため、エミッタ電極８上のアルミニウム層４１０とＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ｂを直接接合することができる。   In the semiconductor device 100 according to the first embodiment, since the ultrasonic thermocompression bonding method is used for bonding the PTC element 9, the aluminum layer 410 on the emitter electrode 8 and the copper foil electrode 11b of the PTC element 9 are directly connected. Can be joined.

そのため、本実施の形態１に係る半導体装置１００は、ＰＴＣ素子９をＩＧＢＴチップ２４のエミッタ電極８が存在する領域６０１上に配置できる。その結果、ＩＧＢＴチップ２４の大型化することなく、高精度にＩＧＢＴチップ２４の温度を監視できる。   Therefore, in the semiconductor device 100 according to the first embodiment, the PTC element 9 can be disposed on the region 601 where the emitter electrode 8 of the IGBT chip 24 exists. As a result, the temperature of the IGBT chip 24 can be monitored with high accuracy without increasing the size of the IGBT chip 24.

さらに、ＰＴＣ素子９は、１℃当たりの出力電圧の変化が大きいため、高精度の検知回路が不要となり、ノイズ環境下でもＩＧＢＴチップ２４の温度を精度よく監視することができる。   Further, since the PTC element 9 has a large change in output voltage per 1 ° C., a highly accurate detection circuit is not required, and the temperature of the IGBT chip 24 can be accurately monitored even in a noise environment.

そして、ＰＴＣ素子９は、銅箔電極１１ａ及び銅箔電極１１ｂ間に挟まれて形成されたＰＴＣ素材１２を有し、ＰＴＣ素材１２の膜厚は、０．１ｍｍ以上、０．３７ｍｍ以下である。そのため、温度計測の誤差を抑えつつ、検知回路による検出時間を０．５ｓ以下にすることができる。   And the PTC element 9 has the PTC material 12 formed by being sandwiched between the copper foil electrode 11a and the copper foil electrode 11b, and the film thickness of the PTC material 12 is 0.1 mm or more and 0.37 mm or less. . Therefore, the detection time by the detection circuit can be reduced to 0.5 s or less while suppressing temperature measurement errors.

また、エミッタ電極８は接地されることが多く、電位が低いため、ＰＴＣ素子９への電界の影響を小さくすることができる。   Further, since the emitter electrode 8 is often grounded and has a low potential, the influence of the electric field on the PTC element 9 can be reduced.

本実施の形態１に係る半導体装置１００は、超音波併用熱圧着方式によりＰＴＣ素子９を接合しているので、温度上昇することなく、エミッタ電極８上のアルミニウム層４１０とＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ｂを直接接合することができる。   In the semiconductor device 100 according to the first embodiment, since the PTC element 9 is bonded by the ultrasonic thermocompression bonding method, the aluminum layer 410 on the emitter electrode 8 and the copper foil of the PTC element 9 are not increased in temperature. The electrode 11b can be directly joined.

その結果、高温の熱の印加による損傷のおそれなく、ＰＴＣ素子９とアルミニウム層４１０とを直接接合できる。   As a result, the PTC element 9 and the aluminum layer 410 can be directly joined without fear of damage due to application of high-temperature heat.

本実施の形態１に係る半導体装置１００は、ＰＴＣ素子９がＩＧＢＴチップ２４主面の中央部に配置されている。そのため、最も精度よく半導体装置１００の最高温度を検出できる。   In the semiconductor device 100 according to the first embodiment, the PTC element 9 is arranged at the center of the main surface of the IGBT chip 24. Therefore, the highest temperature of the semiconductor device 100 can be detected with the highest accuracy.

本実施の形態１に係る半導体装置１００は、ＰＴＣ素子９が導電性ろう材である金バンプ１４を介して接合されている。そのため、ＰＴＣ素子９とＩＧＢＴチップ２４間の接合力を大きくできる。   In the semiconductor device 100 according to the first embodiment, the PTC element 9 is bonded via gold bumps 14 that are conductive brazing materials. Therefore, the bonding force between the PTC element 9 and the IGBT chip 24 can be increased.

なお、図１に示すように、ＰＴＣ素子９は、その表面の全面に銅箔電極１１ａ，１１ｂを備えている。しかし、ＰＴＣ素子９の表面もしくは内部の少なくとも一部に銅箔電極１１ａを形成し、ＰＴＣ素子９の表面もしくは内部の銅箔電極１１ａが形成された領域以外の少なくとも一部に、銅箔電極１１ｂを形成するようにしてもよい。このようにしても、銅箔電極１１ａ，１１ｂ間に挟まれたＰＴＣ素材１２に定電流を流して電圧変化を監視することで、ＩＧＢＴチップ２４の温度を高精度に監視できる。   As shown in FIG. 1, the PTC element 9 includes copper foil electrodes 11a and 11b on the entire surface thereof. However, the copper foil electrode 11a is formed on at least a part of the surface or inside of the PTC element 9, and the copper foil electrode 11b is formed on at least a part of the surface of the PTC element 9 other than the region where the copper foil electrode 11a is formed. May be formed. Even in this case, the temperature of the IGBT chip 24 can be monitored with high accuracy by flowing a constant current through the PTC material 12 sandwiched between the copper foil electrodes 11a and 11b and monitoring the voltage change.

また、本実施の形態１ではＰＴＣ素材１２の抵抗が上昇する温度が１３０℃の場合について説明したが、有機ポリマーの融点を変更することにより、他の温度例えば、１２５℃、１５０℃、１７５℃等の温度の検出も可能である。また、ポリエチレンはＨＤ（高密度）ポリエチレンでもＬＤ（低密度）ポリエチレンでもよい。   In the first embodiment, the case where the temperature at which the resistance of the PTC material 12 increases is 130 ° C., but other temperatures such as 125 ° C., 150 ° C., 175 ° C. can be obtained by changing the melting point of the organic polymer. It is also possible to detect temperature such as. The polyethylene may be HD (high density) polyethylene or LD (low density) polyethylene.

さらに、本実施の形態１ではＰＴＣ素材１２の導電粒子として炭化タングステンを使用したが、導電粒子は、例えばニッケル、タングステン、モリブデン、コバルト、銅、銀、アルミニウムのような金属材料のほか、カーボンブラックでもよい。   Further, in the first embodiment, tungsten carbide is used as the conductive particles of the PTC material 12, but the conductive particles may be, for example, metal materials such as nickel, tungsten, molybdenum, cobalt, copper, silver, aluminum, and carbon black. But you can.

また、ＰＴＣ素材１２の有機ポリマーとしてポリエチレンを使用したが、例えばポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、アイオノマー、またはこれらの共重合体の何れかを用いてもよい。   Moreover, although polyethylene was used as the organic polymer of the PTC material 12, for example, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, ionomer, or a copolymer thereof may be used.

本実施の形態１では、ＩＧＢＴチップ２４について説明したが、他の半導体チップ、例えばサイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどにも適用できることはいうまでもない。   In the first embodiment, the IGBT chip 24 has been described. Needless to say, the present invention can also be applied to other semiconductor chips such as a thyristor, a GTO (Gate Turn-Off Thyristor), a power MOSFET, a bipolar transistor, and a diode.

＜実施の形態２＞
図１２は、本実施の形態２に係る半導体装置１００のＰＴＣ素子９近傍の構成を示す断面図である。<Embodiment 2>
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration in the vicinity of the PTC element 9 of the semiconductor device 100 according to the second embodiment.

ＰＴＣ素子９に電流を流すための配線２０，２１が、ＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ａ，１１ｂにそれぞれ接続されている。そして、ＰＴＣ素子９を覆うように、ゲル（保護膜）１５が形成されている。   Wirings 20 and 21 for flowing current to the PTC element 9 are connected to the copper foil electrodes 11a and 11b of the PTC element 9, respectively. A gel (protective film) 15 is formed so as to cover the PTC element 9.

ＰＴＣ素材１２（図１参照）は有機ポリマーで構成されている。そのため、過渡の温度上昇が続くと、有機ポリマーが溶けて、形状が崩れる可能性がある。またＰＴＣ素材１２は水分に弱く、水分を吸収すると物性が変化する可能性がある。さらに機械的外力による損傷を避けることが望ましい。   The PTC material 12 (see FIG. 1) is composed of an organic polymer. Therefore, if the transient temperature rise continues, the organic polymer may melt and the shape may collapse. Further, the PTC material 12 is vulnerable to moisture, and physical properties may change when moisture is absorbed. It is also desirable to avoid damage due to mechanical external forces.

本実施の形態２では、図１２に示すように、ＰＴＣ素子９を例えばゲル１５で覆っている。そのため、ＰＴＣ素材１２の形状を維持するとともに、外部からの水分の吸収による特性の劣化、及び外力による破損を防止することができる。   In the second embodiment, as shown in FIG. 12, the PTC element 9 is covered with a gel 15, for example. Therefore, while maintaining the shape of the PTC material 12, it is possible to prevent deterioration of characteristics due to moisture absorption from the outside and damage due to external force.

なお、ゲル１５で覆おう他、他のモールド材、例えばエポキシ系樹脂でモールドしてもよい。   In addition, you may mold with other molding materials, for example, epoxy resin other than covering with the gel 15.

＜実施の形態３＞
実施の形態１ではＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ａ，１１ｂとＩＧＢＴチップ２４間に金バンプ１４を使用したが（図１０参照）、金バンプ１４を使用せず銅箔電極１１ａ，１１ｂとＩＧＢＴチップ２４表面を超音波併用熱圧着方式で直接接合してもよい。あるいは金バンプ１４の代わりにＡｌバンプを使用してもよい。<Embodiment 3>
In the first embodiment, the gold bumps 14 are used between the copper foil electrodes 11a and 11b of the PTC element 9 and the IGBT chip 24 (see FIG. 10), but the copper bump electrodes 11a and 11b and the IGBT chip are not used. The 24 surfaces may be directly joined by ultrasonic thermocompression bonding. Alternatively, Al bumps may be used instead of the gold bumps 14.

本実施の形態３では、ＰＴＣ素子９とＩＧＢＴチップ２４を直接接合している。金バンプ１４を使用しないので、製造コストを削減することができる。   In the third embodiment, the PTC element 9 and the IGBT chip 24 are directly joined. Since the gold bumps 14 are not used, the manufacturing cost can be reduced.

また本実施の形態３では、超音波併用熱圧着方式で接合している。そのため、温度上昇することなく、接合可能である。そして、半導体に多くなされているアルミニウムが蒸着あるいはスパッタされた面と接合可能となり、かつ接合力を高くできる。   Moreover, in this Embodiment 3, it joins with the ultrasonic thermocompression bonding system. Therefore, joining is possible without a temperature rise. In addition, it is possible to bond to the surface on which aluminum, which is often used in semiconductors, is deposited or sputtered, and the bonding force can be increased.

＜実施の形態４＞
本実施の形態４に係る半導体装置１００では、図１に示したＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ａ，１１ｂとＩＧＢＴチップ２４間の接合に低融点半田を用いている。<Embodiment 4>
In the semiconductor device 100 according to the fourth embodiment, a low melting point solder is used for joining between the copper foil electrodes 11a and 11b of the PTC element 9 and the IGBT chip 24 shown in FIG.

低融点半田の融点はＰＴＣ素材１２の融点より低い温度のものを使用すると、ＰＴＣ素材１２の損傷を防ぐことができる。また、低融点半田はその熱伝導率が比較的よいので、温度検知の性能向上も可能である。   If the melting point of the low melting point solder is lower than the melting point of the PTC material 12, damage to the PTC material 12 can be prevented. In addition, since the low melting point solder has a relatively good thermal conductivity, the temperature detection performance can be improved.

低融点半田としては、例えば、アナトミカル合金、リボウイッツ合金、ウッド合金、ローズ合金、ダルセ合金、ニュートン合金、セロセーフ合金、ディ合金などを使用することができる。またアルミニウム面との接合用フラックスを使用することでアルミニウムが蒸着またはスパッタされた面と接合可能である。   As the low melting point solder, for example, an anatomical alloy, a rebowitz alloy, a wood alloy, a rose alloy, a dulce alloy, a Newton alloy, a cellosafe alloy, a dialloy, or the like can be used. Further, by using a flux for bonding with an aluminum surface, it is possible to bond with a surface on which aluminum has been deposited or sputtered.

＜実施の形態５＞
本実施の形態５に係る半導体装置１００では、図１に示したＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ａ，１１ｂとＩＧＢＴチップ２４との接合に導電性ペーストを使用する。<Embodiment 5>
In the semiconductor device 100 according to the fifth embodiment, a conductive paste is used to join the copper foil electrodes 11a and 11b of the PTC element 9 and the IGBT chip 24 shown in FIG.

導電性ペーストを使用することで、温度上昇することなく、ＰＴＣ素材１２の融点以下でＰＴＣ素子９を接合でき、ＰＴＣ素材１２の損傷を防ぐことができる。またアルミニウムが蒸着またはスパッタされた面と接合可能である。   By using the conductive paste, the PTC element 9 can be joined at a temperature equal to or lower than the melting point of the PTC material 12 without increasing the temperature, and damage to the PTC material 12 can be prevented. It can be bonded to a surface on which aluminum is deposited or sputtered.

＜実施の形態６＞
本実施の形態６に係る半導体装置１００は、図１に示したＰＴＣ素子９のＰＴＣ素材１２として、ＢａＴｉＯ3を主材料にした無機系の材料を使用したものである。Ｂａを＋３価のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｈｏなどで置換するか、Ｔｉを＋５価のＮｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｂｉで置換すると、電子あるいはホールができ半導体となる。キュリー点を超えると、結晶粒界のみが絶縁化し、抵抗率が高くなり、ＰＴＣが発現する。抵抗率が急上昇する温度を制御する方法として、Ｂａを＋２価のＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｐｂなどで置換するか、Ｔｉを＋４価のＨｆ，Ｓｎ，Ｚｒなどで置換するとキュリー点が移動し、それに応じたＰＴＣ特性が得られる。<Embodiment 6>
The semiconductor device 100 according to the sixth embodiment uses an inorganic material mainly composed of BaTiO 3 as the PTC material 12 of the PTC element 9 shown in FIG. When Ba is replaced with +3 valent La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Ho or the like, or Ti is replaced with +5 valent Nb, Ta, Sb, Bi, an electron or a hole is formed and becomes a semiconductor. When the Curie point is exceeded, only the crystal grain boundaries are insulated, the resistivity is increased, and PTC is developed. As a method for controlling the temperature at which the resistivity rapidly rises, when Ba is replaced with +2 valent Mg, Ca, Sr, Pb or the like, or Ti is replaced with +4 valent Hf, Sn, Zr or the like, the Curie point moves. A PTC characteristic corresponding to that is obtained.

このような材料をＰＴＣ素材１２として使用することによる効果として、抵抗率が急上昇する温度を調節することが容易であるので、１２５℃、１３０℃、１５０℃、１７５℃、あるいはその他の温度で電圧変化が大きくなるようなＰＴＣ特性を得ることが容易にできる。   As an effect of using such a material as the PTC material 12, it is easy to adjust the temperature at which the resistivity rapidly increases, so that the voltage at 125 ° C., 130 ° C., 150 ° C., 175 ° C., or other temperatures can be used. It is easy to obtain a PTC characteristic that greatly changes.

また、本材料はセラミックスの一種であるので、熱に強く、通常の半田や鉛フリー半田が使用可能となる。ＩＧＢＴチップ２４の表面には通常Ａｌが蒸着またはスパッタされているので、アルミニウムと銅を半田接合可能とするため、アルミニウム面に例えばＮｉをメッキもしくは蒸着することにより、銅とアルミニウム面を半田接合可能とすることができる。   Moreover, since this material is a kind of ceramics, it is resistant to heat, and ordinary solder and lead-free solder can be used. Since Al is usually deposited or sputtered on the surface of the IGBT chip 24, in order to be able to solder and bond aluminum and copper, for example, by plating or vapor-depositing Ni on the aluminum surface, the copper and aluminum surface can be soldered. It can be.

無機系のＰＴＣ素材１２としてはこの他にＶ2Ｏ3を主材料とし、Ｖの一部をＣｒで置換した（Ｖ1-xＣｒ）2Ｏ3からなる材料や、ＢｉとＴｉＯ2をコンポジットした材料、またＢｉとＰｂＯ、Ｂ2Ｏ3、ＳｉＯ2をコンポジットした材料、あるいは金属粉にセラミックスと低融点ガラスをコンポジットした材料でもよい。In addition to this, the inorganic PTC material 12 is composed of (V 1-x Cr) 2 O 3 in which V 2 O 3 is the main material and a part of V is replaced with Cr, and Bi and TiO 2 are composites. The composite material of Bi and PbO, B 2 O 3 and SiO 2 , or the composite material of ceramic and low melting point glass on metal powder may be used.

＜実施の形態７＞
本実施の形態７に係る半導体装置１００は、図１に示したＰＴＣ素子９の銅箔電極１１ａ，１１ｂと半導体チップ間の接合に導電性ろう材を使用している。<Embodiment 7>
The semiconductor device 100 according to the seventh embodiment uses a conductive brazing material for bonding between the copper foil electrodes 11a and 11b of the PTC element 9 and the semiconductor chip shown in FIG.

導電性ろう材を用いることで、接合力が強く、伝熱特性に優れた半導体装置１００を得ることができる。   By using the conductive brazing material, it is possible to obtain the semiconductor device 100 having a strong bonding force and excellent heat transfer characteristics.

＜実施の形態８＞
図１３は、本実施の形態８に係る半導体装置８００の構成を示す断面図である。本実施の形態８に係る半導体装置８００は、ＰＴＣ素子９に代えてＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子（ＮＴＣ温度センサ）２１０を用いている。ＮＴＣ素子２１０は、温度に応じて抵抗値が変化し、負の温度係数を有する可変抵抗素子である。また、ＩＧＢＴチップ２４部分の構成は、図２に示した構成と同様である。<Eighth embodiment>
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device 800 according to the eighth embodiment. The semiconductor device 800 according to the eighth embodiment uses an NTC (Negative Temperature Coefficient) element (NTC temperature sensor) 210 instead of the PTC element 9. The NTC element 210 is a variable resistance element having a negative temperature coefficient whose resistance value changes according to temperature. The configuration of the IGBT chip 24 is the same as the configuration shown in FIG.

その他の構成は、実施の形態１に記載の半導体装置１００と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   Other configurations are the same as those of the semiconductor device 100 described in the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

次に、図１３を参照して、ＮＴＣ素子２１０の構成について詳細に説明する。ＮＴＣ素子２１０は、ＮＴＣ素材２２０（負の温度係数を有するＮＴＣ材）と、ＮＴＣ素材２２０の一方の主面上に形成された銅箔電極２１１ａ（第１電極）と、ＮＴＣ素子２１０の他方の主面上に形成された銅箔電極２１１ｂ（第２電極）を備えている。すなわち、ＮＴＣ素材２２０の両主面に銅箔電極２１１ａ（正），２１１ｂ（負）を接合したものである。銅箔電極２１１ａ，２１１ｂの厚みは例えば１μｍから１００μｍである。   Next, the configuration of the NTC element 210 will be described in detail with reference to FIG. The NTC element 210 includes an NTC material 220 (an NTC material having a negative temperature coefficient), a copper foil electrode 211a (first electrode) formed on one main surface of the NTC material 220, and the other of the NTC element 210. A copper foil electrode 211b (second electrode) formed on the main surface is provided. That is, copper foil electrodes 211a (positive) and 211b (negative) are joined to both main surfaces of the NTC material 220. The thickness of the copper foil electrodes 211a and 211b is, for example, 1 μm to 100 μm.

エミッタ電極８は接地されることが多く電位が低いので、電界がＮＴＣ素子２１０に及ぼす影響を低減できる。そのため、ＮＴＣ素子２１０の銅箔電極２１１ｂをエミッタ電極８上に接合する。   Since the emitter electrode 8 is often grounded and has a low potential, the influence of the electric field on the NTC element 210 can be reduced. Therefore, the copper foil electrode 211 b of the NTC element 210 is bonded onto the emitter electrode 8.

より詳細にいえばエミッタ電極８上に蒸着もしくはスパッタされているアルミニウム層４１０上に接合する。アルミニウム層４１０上には、通常の半田では接合できないので、導電性ペースト、特に熱伝導率と導電率が大きい銀ペーストで接合する。ここで、ＮＴＣ素子２１０とアルミニウム層４１０の間には絶縁層を設けないでおく。こうすることにより、伝熱特性を向上することができる。また、ＮＴＣ素材２２０はＭｎ，Ｎｉ，ＣｏあるいはＭｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅを主材料にしたものである。   More specifically, bonding is performed on the aluminum layer 410 that is deposited or sputtered on the emitter electrode 8. Since bonding cannot be performed on the aluminum layer 410 with ordinary solder, bonding is performed with a conductive paste, particularly a silver paste having high thermal conductivity and high conductivity. Here, no insulating layer is provided between the NTC element 210 and the aluminum layer 410. By doing so, the heat transfer characteristics can be improved. The NTC material 220 is mainly made of Mn, Ni, Co or Mn, Ni, Co, Fe.

なお、ＮＴＣ素子２１０のＩＧＢＴチップ２４上の配置位置等は実施の形態１と同様である（図３，４参照）。   The arrangement position of the NTC element 210 on the IGBT chip 24 is the same as that of the first embodiment (see FIGS. 3 and 4).

図１４は、ＮＴＣ素子２１０の温度（横軸）―抵抗値（縦軸）の特性を示す図である。図１４から、ＮＴＣ素材２２０は、温度が上昇するとともに、抵抗値が滑らかに減少することがわかる。すなわち、ＮＴＣ素材２２０は、温度に対して負の温度係数を有することがわかる。   FIG. 14 is a graph showing a temperature (horizontal axis) -resistance value (vertical axis) characteristic of the NTC element 210. In FIG. FIG. 14 shows that the resistance value of the NTC material 220 decreases smoothly as the temperature increases. That is, it can be seen that the NTC material 220 has a negative temperature coefficient with respect to the temperature.

このような材料を使用することによる効果として、温度に対して抵抗値が滑らかに減少するため、図５に示したようなある一点で急激に抵抗が変化するＰＴＣ素材１２と異なり、ある一点の温度だけでなく、広い温度範囲で半導体チップの温度変化をモニターすることができる。さらに、温度変化に対して抵抗の変化が大きいので、１℃当たりの温度変化に対して数十ｍＶ〜数Ｖの出力電圧の変化があり、高精度の検知回路が不要となる。   As an effect of using such a material, since the resistance value smoothly decreases with respect to temperature, unlike the PTC material 12 in which the resistance changes suddenly at one point as shown in FIG. Not only the temperature but also a temperature change of the semiconductor chip can be monitored over a wide temperature range. Furthermore, since the resistance change is large with respect to the temperature change, there is a change in the output voltage of several tens of mV to several V with respect to the temperature change per 1 ° C., and a highly accurate detection circuit becomes unnecessary.

次に、図１５を参照して、ＮＴＣ素子２１０を備える半導体装置８００と、ＮＴＣ素子２１０の出力を検出する検知回路装置３００の構成例であるパワー半導体モジュール５００について説明する。図１５は、本実施の形態８に係る半導体装置８００を用いたパワー半導体モジュール５００の構成を示す断面図である。   Next, a power semiconductor module 500 that is a configuration example of the semiconductor device 800 including the NTC element 210 and the detection circuit device 300 that detects the output of the NTC element 210 will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a power semiconductor module 500 using the semiconductor device 800 according to the eighth embodiment.

ＩＧＢＴチップ２４、及び検知回路を備える検知回路装置３００が、ケース４０２内の絶縁基板４００上に接合されている。絶縁基板４００は、ベース板４０１上に接合されている。ケース４０２内には絶縁のため、ゲルまたはトランスファーモールド等の絶縁材４０３が挿入されている。   The IGBT chip 24 and the detection circuit device 300 including the detection circuit are bonded onto the insulating substrate 400 in the case 402. The insulating substrate 400 is bonded on the base plate 401. An insulating material 403 such as gel or transfer mold is inserted in the case 402 for insulation.

ケース４０２には、エミッタ端子４０４、コレクタ端子４０５、端子４１１等の端子が埋め込まれている。外部電極、ＩＧＢＴチップ２４、及び検知回路装置３００間は、ワイヤ４０６を介して接合されている。   Terminals such as an emitter terminal 404, a collector terminal 405, and a terminal 411 are embedded in the case 402. The external electrode, the IGBT chip 24, and the detection circuit device 300 are joined via a wire 406.

なお、実施の形態１においても、図１５に示す構成を同様に適用することができる。   In the first embodiment, the configuration shown in FIG. 15 can be similarly applied.

図１６は、以上のように構成されたパワー半導体モジュール５００の等価回路図である。図１５の構成に対応する構成には、同一の符号を付している。   FIG. 16 is an equivalent circuit diagram of the power semiconductor module 500 configured as described above. The components corresponding to those in FIG. 15 are denoted by the same reference numerals.

ＩＧＢＴチップ２４のエミッタ電極８は、接地されている。ＩＧＢＴチップ２４のエミッタは、ＮＴＣ素子２１０の一端に接続されている。ＮＴＣ素子２１０の他端は、検知回路装置３００を構成する抵抗２０８の一端及びコンパレータ２０２の一方入力に接続点２０９において接続されている。   The emitter electrode 8 of the IGBT chip 24 is grounded. The emitter of the IGBT chip 24 is connected to one end of the NTC element 210. The other end of the NTC element 210 is connected to one end of a resistor 208 constituting the detection circuit device 300 and one input of a comparator 202 at a connection point 209.

そして、ＩＧＢＴチップ２４のゲートは、検知回路装置３００を構成するコンパレータ２０２の出力に接続されている。   The gate of the IGBT chip 24 is connected to the output of the comparator 202 that constitutes the detection circuit device 300.

次に、検知回路装置３００の回路構成について詳細に説明する。抵抗２０８の他端が、定電圧電源２２１に接続されている。コンパレータ２０２の他方入力は、抵抗２０３、及び抵抗２０４の一端に接続点２０６において接続されている。抵抗２０３の他端は接地され、抵抗２０４の他端は定電圧電源２１０ａが接続されている。   Next, the circuit configuration of the detection circuit device 300 will be described in detail. The other end of the resistor 208 is connected to the constant voltage power source 221. The other input of the comparator 202 is connected to one end of the resistor 203 and the resistor 204 at a connection point 206. The other end of the resistor 203 is grounded, and the other end of the resistor 204 is connected to a constant voltage power source 210a.

次に、図２，図１５，図１６を参照して、パワー半導体モジュール５００の動作について説明する。まず、コレクタ電極１０に正の電圧を印加し、エミッタ電極８を接地する。その状態で、エミッタ電極８に対して正の電圧をゲート電極６に加えると、ポリシリコンゲート５直下のｐ領域１部分に、電子の集まったｎ型チャネルが形成される（図２参照）。   Next, the operation of the power semiconductor module 500 will be described with reference to FIGS. First, a positive voltage is applied to the collector electrode 10 and the emitter electrode 8 is grounded. In this state, when a positive voltage is applied to the gate electrode 6 with respect to the emitter electrode 8, an n-type channel in which electrons are collected is formed in the portion of the p region 1 immediately below the polysilicon gate 5 (see FIG. 2).

エミッタ電極８から供給される電子は、ｎ+層３、ｐ領域１内に形成されたｎ型チャネル、ｎ-層２を経由してｐ型半導体基板４、コレクタ電極１０にいたる経路を流れる。この過程で、ｎ-層２に過剰の電子が流入するのに同期して、不純物の多いｐ型半導体基板４からホールがｎ-層２に供給される。すなわち、電子とホールがｎ-層２で結合する形で電流が流れ、スイッチオン状態となる。Electrons supplied from the emitter electrode 8 flow through a path from the n + layer 3, the n-type channel formed in the p region 1, and the n − layer 2 to the p-type semiconductor substrate 4 and the collector electrode 10. In this process, n - and excess electrons in the layer 2 is synchronized to the inflow, holes from more p-type semiconductor substrate 4 having the impurity the n - is supplied to the layer 2. That is, a current flows in a form in which electrons and holes are combined in the n − layer 2 and the switch is turned on.

そして、ゲート電極６への電圧の印加をやめると、上述の現象は起きず、スイッチオフ状態となる。   When the application of the voltage to the gate electrode 6 is stopped, the above phenomenon does not occur and the switch is turned off.

スイッチオフ状態では、エミッタ電極８・コレクタ電極１０間に電流は流れず、またスイッチオン状態では、エミッタ電極８・コレクタ電極１０間の電圧が小さくなるため、熱発生は小さい。   In the switch-off state, no current flows between the emitter electrode 8 and the collector electrode 10, and in the switch-on state, the voltage between the emitter electrode 8 and the collector electrode 10 is small, so that heat generation is small.

しかし、スイッチオン状態からスイッチオフ状態、あるいはスイッチオフ状態からスイッチオン状態への切り替え時には、エミッタ電極８・コレクタ電極１０間に電流と電圧がともに生じ、ジュール熱が発生する。   However, when switching from the switch-on state to the switch-off state or from the switch-off state to the switch-on state, both current and voltage are generated between the emitter electrode 8 and the collector electrode 10, and Joule heat is generated.

そして、ジュール熱による熱破壊を避けるため、温度を例えば１２５℃、あるいは１３０℃、もしくは１５０℃、または１７５℃以下の温度に制御する必要がある。   In order to avoid thermal destruction due to Joule heat, it is necessary to control the temperature to, for example, 125 ° C., 130 ° C., 150 ° C., or 175 ° C. or lower.

そこで、ＩＧＢＴチップ２４の温度検出のために、ＮＴＣ素子２１０に電流を流し、その電圧値を読み取る。   Therefore, in order to detect the temperature of the IGBT chip 24, a current is passed through the NTC element 210 and the voltage value is read.

本実施の形態８に係るパワー半導体モジュール５００では、ＮＴＣ素子２１０に印加する電源として定電圧電源２２１を使用している。そして、図１５中には、ＮＴＣ素子２１０のセンサ用電流（測定電流）の電流経路を点線で示している。   In the power semiconductor module 500 according to the eighth embodiment, a constant voltage power source 221 is used as a power source applied to the NTC element 210. In FIG. 15, the current path of the sensor current (measurement current) of the NTC element 210 is indicated by a dotted line.

ＮＴＣ素子２１０に定電圧電源２２１が接続されると、抵抗２０８を介してＮＴＣ素子２１０にセンサ用電流が流れる。センサ用電流は、銅箔電極２１１ａからＮＴＣ素材２２０を通過し、銅箔電極２１１ｂを通ってエミッタ電極８ならびにエミッタ電極８上面のアルミニウム層４１０に流れる。そして、センサ用電流は、エミッタ端子４０４へと流れる。   When the constant voltage power source 221 is connected to the NTC element 210, a sensor current flows through the NTC element 210 via the resistor 208. The sensor current passes from the copper foil electrode 211 a through the NTC material 220, flows through the copper foil electrode 211 b to the emitter electrode 8 and the aluminum layer 410 on the upper surface of the emitter electrode 8. Then, the sensor current flows to the emitter terminal 404.

ＮＴＣ素子２１０とアルミニウム層４１０の間には絶縁層を設けていないので、ＮＴＣ素子２１０のセンサ用電流は直接エミッタ電極８ならびにアルミニウム層４１０を流れる。   Since no insulating layer is provided between the NTC element 210 and the aluminum layer 410, the sensor current of the NTC element 210 flows directly through the emitter electrode 8 and the aluminum layer 410.

一方、主回路の電流（主回路電流）はコレクタ外部電極４０５からＩＧＢＴチップ２４を通過し、エミッタ端子４０４へと流れる。   On the other hand, the current of the main circuit (main circuit current) flows from the collector external electrode 405 through the IGBT chip 24 to the emitter terminal 404.

したがってＩＧＢＴチップ２４の表面（エミッタ電極８ならびにアルミニウム層４１０）には主回路電流とＮＴＣ素子２１０のセンサ用電流が混在し、ノイズ発生の原因となる可能性がある。   Therefore, the main circuit current and the sensor current of the NTC element 210 are mixed on the surface of the IGBT chip 24 (the emitter electrode 8 and the aluminum layer 410), which may cause noise.

しかしながらＮＴＣ素子２１０の抵抗値は、室温で数１０ｋΩ、１５０℃で数百Ωとチップ表面と比べてはるかにインピーダンスが大きいので測定電流の変動は少なく、ノイズの影響は小さい。   However, the resistance value of the NTC element 210 is several tens of kΩ at room temperature and several hundred Ω at 150 ° C., which is much larger than the chip surface, so that there is little variation in measurement current and the influence of noise is small.

図１６を参照して、接続点２０６には、定電圧電源２１０ａを抵抗２０３，２０４により分圧した電圧（基準電圧Ｖｒ）が出力される。   Referring to FIG. 16, a voltage (reference voltage Vr) obtained by dividing constant voltage power supply 210 a by resistors 203 and 204 is output to connection point 206.

ＩＧＢＴチップ２４の温度が低い場合、ＮＴＣ素子２１０の抵抗値が大きい（図１４参照）ので、接続点２０７の電圧値は基準電圧Ｖｒより高い。そして、温度が高くなるにつれ、ＮＴＣ素子２１０の抵抗値は低くなるので、接続点２０７の電圧は基準電圧Ｖｒより低くなる。   When the temperature of the IGBT chip 24 is low, the resistance value of the NTC element 210 is large (see FIG. 14), so that the voltage value at the connection point 207 is higher than the reference voltage Vr. As the temperature increases, the resistance value of the NTC element 210 decreases, so that the voltage at the connection point 207 becomes lower than the reference voltage Vr.

コンパレータ２０２は基準電圧Ｖｒより高い電圧が入力されると信号電圧をＩＧＢＴ２４のゲートに出力する。信号電圧が入力されると、ＩＧＢＴチップ２４は、ターンオンしてコレクタ−エミッタ間に電流が流れる。   The comparator 202 outputs a signal voltage to the gate of the IGBT 24 when a voltage higher than the reference voltage Vr is input. When the signal voltage is input, the IGBT chip 24 is turned on and a current flows between the collector and the emitter.

ＩＧＢＴチップ２４の温度が高くなり、ＮＴＣ素子２１０の抵抗値がある抵抗値より小さくなると、接続点２０９の電圧は接続点２０６における基準電圧Ｖｒより低くなり、コンパレータ２０２はゲート電圧をＩＧＢＴチップ２４のゲートに出力しなくなる。そのため、ＩＧＢＴチップ２４はターンオフとなり、コレクタ−エミッタ間に電流が流れなくなり、ＩＧＢＴチップ２４の温度上昇がとまり熱破壊を防止する。   When the temperature of the IGBT chip 24 becomes high and the resistance value of the NTC element 210 becomes smaller than a certain resistance value, the voltage at the connection point 209 becomes lower than the reference voltage Vr at the connection point 206, and the comparator 202 sets the gate voltage to the IGBT chip 24. No output to the gate. As a result, the IGBT chip 24 is turned off and no current flows between the collector and the emitter, and the temperature rise of the IGBT chip 24 is stopped to prevent thermal destruction.

なお、定電圧電源２２１、２１０ａの出力電圧値の大小関係、分圧抵抗値によっては上記記載の関係が成立しなくなることがあるが、定電圧電源２２１、２１０ａの出力電圧値及び分圧抵抗値は、上記の関係が成立するように設定するものとする。   Depending on the magnitude relationship of the output voltage values of the constant voltage power supplies 221 and 210a and the voltage dividing resistance value, the above relationship may not be established, but the output voltage values and voltage dividing resistance values of the constant voltage power supplies 221 and 210a may not be satisfied. Is set so that the above relationship is established.

使用するＮＴＣ素子２１０の検出時間は短いほうがよりチップの破壊防止に効果的である。図１７は、ＮＴＣ素材２２０の膜厚に対する検知回路装置３００による検出時間の計算結果を示した図である。ラインａは、ＩＧＢＴチップ２４が１００℃で定常動作中に、１００μｓ間何らかの発熱があり、その発熱によってＩＧＢＴチップ２４の温度が１５０℃まで温度上昇した後、検知回路装置３００がその温度上昇を検出するのに要した時間を示している。   A shorter detection time of the NTC element 210 to be used is more effective in preventing chip destruction. FIG. 17 is a diagram illustrating a calculation result of detection time by the detection circuit device 300 with respect to the film thickness of the NTC material 220. In line a, while the IGBT chip 24 is in a steady operation at 100 ° C., the heat is generated for 100 μs. After the temperature of the IGBT chip 24 rises to 150 ° C. due to the heat generation, the detection circuit device 300 detects the temperature rise. It shows the time taken to do.

図１７に示すように、検知回路装置３００の検出時間は、ＮＴＣ素子２１０のＮＴＣ素材２２０の厚さと関係がある。   As shown in FIG. 17, the detection time of the detection circuit device 300 is related to the thickness of the NTC material 220 of the NTC element 210.

図１７に示すように、ＮＴＣ素材２２０の厚さが薄くなると検出時間が短縮するのがわかる。また図１７中のラインｂ，ｃは、ＮＴＣ素材２２０の厚さと検出時間が正比例した場合を示す補助直線である。   As shown in FIG. 17, it can be seen that the detection time is shortened as the thickness of the NTC material 220 is reduced. In addition, lines b and c in FIG. 17 are auxiliary straight lines indicating a case where the thickness of the NTC material 220 is directly proportional to the detection time.

実際の適用上、検出時間は０．５ｓ以下であることが望ましく、図１７を参照すれば、ＮＴＣ素材２２０の膜厚を０．５ｍｍ以下にすれば、検出時間をほぼ０．５ｓ以下とすることができることがわかる。   In actual application, the detection time is desirably 0.5 s or less. Referring to FIG. 17, if the thickness of the NTC material 220 is 0.5 mm or less, the detection time is approximately 0.5 s or less. You can see that

また、図１７を参照して、ＮＴＣ素材２２０の厚さが０．３ｍｍを超えると、比例関係からずれて急速に検出時間が大きくなることがわかる。そのため、ＮＴＣ素材２２０の膜厚は、０．３ｍｍ以下であることがより望ましい。   In addition, referring to FIG. 17, it can be seen that when the thickness of the NTC material 220 exceeds 0.3 mm, the detection time rapidly increases because of deviation from the proportional relationship. Therefore, the film thickness of the NTC material 220 is more preferably 0.3 mm or less.

さらに、ＮＴＣ素材２２０の厚みに抵抗値は比例するので、精度の高い温度センサを得るにはＮＴＣ素材２２０の厚みを一定にする必要がある。そして、ＮＴＣ素子２１０の個体差による温度計測の誤差を±２℃以内に抑制するには、ＮＴＣ素子２１０の抵抗値のばらつきを±１％以内にする必要がある。そのため、ＮＴＣ素材２２０の厚みを±１％以内に制御する必要がある。   Furthermore, since the resistance value is proportional to the thickness of the NTC material 220, it is necessary to make the thickness of the NTC material 220 constant in order to obtain a highly accurate temperature sensor. In order to suppress the temperature measurement error due to the individual difference of the NTC element 210 within ± 2 ° C., it is necessary to make the variation of the resistance value of the NTC element 210 within ± 1%. Therefore, it is necessary to control the thickness of the NTC material 220 within ± 1%.

ＮＴＣ素材２２０は、製作時に機械加工で切断され、場合によっては研磨で微調整される。機械加工上の限界から厚さの制御は±１％以内にコントロールすることができず、個体差が大きくなり、精度が低下する。以上からＮＴＣ素材２２０の膜厚の厚さは０．１ｍｍ以上とする必要がある。   The NTC material 220 is cut by machining at the time of manufacture, and is finely adjusted by polishing in some cases. Thickness cannot be controlled within ± 1% due to machining limitations, and individual differences increase and accuracy decreases. From the above, the thickness of the NTC material 220 needs to be 0.1 mm or more.

本実施の形態８に係る半導体装置８００は、ＮＴＣ素子２１０を用いている。そのため、実施の形態１と同様の効果を有するとともに、ＰＴＣ素子９に比べてより広い温度範囲でＩＧＢＴチップ２４の温度を監視することができる。   The semiconductor device 800 according to the eighth embodiment uses the NTC element 210. Therefore, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the temperature of the IGBT chip 24 can be monitored in a wider temperature range than the PTC element 9.

また、ＮＴＣ素子２１０は、銅箔電極２１１ａ，２１１ｂ間にＮＴＣ素材２２０を有し、前記ＮＴＣ素材２２０の膜厚は、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。   The NTC element 210 has an NTC material 220 between the copper foil electrodes 211a and 211b, and the film thickness of the NTC material 220 is 0.1 mm or more and 0.5 mm or less.

そのため、検出回路装置３００による検出時間を０．５ｓ以下にすることができる。   Therefore, the detection time by the detection circuit device 300 can be 0.5 s or less.

また、ＮＴＣ素材２２０の膜厚を０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下とすることで、検出時間をさらに短縮できる。   Moreover, the detection time can be further shortened by setting the film thickness of the NTC material 220 to 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.

なお、本実施の形態８に係る半導体装置８００では、図１６に示す等価回路を備える検出回路装置３００を用いたが、実施の形態１の図６のように、より簡易な検出回路装置３００を用いてもよい。   In the semiconductor device 800 according to the eighth embodiment, the detection circuit device 300 including the equivalent circuit shown in FIG. 16 is used. However, as shown in FIG. 6 of the first embodiment, a simpler detection circuit device 300 is used. It may be used.

さらに、本実施の形態８においても、実施の形態２から５、７に説明した構成を適用することができる。
Furthermore, the configuration described in the second to fifth and seventh embodiments can also be applied to the eighth embodiment.

本発明に係る半導体装置の態様は、エミッタ側主電極及びコレクタ側主電極を有する半導体チップと、前記エミッタ側主電極上に接合され、温度に応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子と、を備え、前記可変抵抗素子は、前記可変抵抗素子の表面もしくは内部の少なくとも一部に形成された第１電極と、前記可変抵抗素子の表面もしくは内部の前記第１電極以外の少なくとも一部に形成された第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極間に、前記半導体チップとは独立に、電源を接続したことを特徴としている。


An aspect of a semiconductor device according to the present invention includes: a semiconductor chip having an emitter-side main electrode and a collector-side main electrode; and a variable resistance element that is bonded on the emitter-side main electrode and has a resistance value that varies with temperature. And the variable resistance element is formed on at least a part of the variable resistance element other than the first electrode on the surface or inside of the variable resistance element. and a second electrode, Bei give a, between the first electrode and the second electrode, wherein independently of the semiconductor chip, is characterized by connecting a power supply.


本発明に係る半導体装置の態様は、エミッタ側主電極及びコレクタ側主電極を有する半導体チップと、前記エミッタ側主電極上に接合され、温度に応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子と、を備え、前記可変抵抗素子は、前記可変抵抗素子の表面の一部及び内部の一部の少なくとも一方に形成された第１電極と、前記可変抵抗素子の表面もしくは内部の前記第１電極以外の少なくとも一部に形成された第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極間に、前記半導体チップとは独立に、電源を接続したことを特徴としている。


An aspect of a semiconductor device according to the present invention includes: a semiconductor chip having an emitter-side main electrode and a collector-side main electrode; and a variable resistance element that is bonded on the emitter-side main electrode and has a resistance value that varies with temperature. wherein the variable resistance element has a first electrode formed on a part and at least the other hand the internal part of the surface of the variable resistance element, other than the surface or the inside of the first electrode of the variable resistive element A second electrode formed at least in part, and a power source is connected between the first electrode and the second electrode independently of the semiconductor chip.


Claims (13)

エミッタ側主電極（８、４１０）及びコレクタ側主電極（１０）を有する半導体チップ（２４）と、
前記エミッタ側主電極（８、４１０）上に接合され、温度に応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子（９；２１０）と、
を備え、
前記可変抵抗素子（９；２１０）は、
前記可変抵抗素子（９；２１０）の表面もしくは内部の少なくとも一部に形成された第１電極（１１ａ；２１１ａ）と、
前記可変抵抗素子の表面もしくは内部の前記第１電極以外の少なくとも一部に形成された第２電極（１１ｂ；２１１ｂ）と、
を備えることを特徴とする半導体装置。A semiconductor chip (24) having an emitter-side main electrode (8, 410) and a collector-side main electrode (10);
A variable resistance element (9; 210) which is bonded onto the emitter side main electrode (8, 410) and whose resistance value changes according to temperature;
With
The variable resistance element (9; 210)
A first electrode (11a; 211a) formed on at least a part of the surface or inside of the variable resistance element (9; 210);
A second electrode (11b; 211b) formed on at least a part other than the first electrode on the surface or inside of the variable resistance element;
A semiconductor device comprising: 前記可変抵抗素子（９；２１０）は、超音波併用熱圧着方式により接合されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistance element (9; 210) is bonded by an ultrasonic combined thermocompression bonding method. 前記可変抵抗素子（９；２１０）は、導電性ろう材により接合されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistance element (9; 210) is joined by a conductive brazing material. 前記可変抵抗素子（９；２１０）は、前記可変抵抗素子（９；２１０）が融解する融点よりも低い温度の融点を備える低融点半田により接合されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The variable resistance element (9; 210) is joined by a low melting point solder having a melting point lower than a melting point of the melting point of the variable resistance element (9; 210). Semiconductor device. 前記可変抵抗素子（９；２１０）は、導電性ペーストにより接合されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistance element (9; 210) is joined by a conductive paste. 前記可変抵抗素子（９；２１０）は、前記半導体チップ（２４）表面に作成したＮｉ面を介して前記半導体チップ（２４）に半田接合されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistance element (9; 210) is soldered to the semiconductor chip (24) via a Ni surface formed on the surface of the semiconductor chip (24). . 前記可変抵抗素子（９；２１０）を覆うように形成された保護膜（１５）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising a protective film (15) formed to cover the variable resistance element (9; 210). 前記可変抵抗素子（９；２１０）は、前記半導体チップ（２４）主面の中央部に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistance element (9; 210) is arranged at a central portion of the main surface of the semiconductor chip (24). 前記可変抵抗素子（９）は、正の温度係数を有する素子であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の半導体装置。 9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistance element (9) is an element having a positive temperature coefficient. 前記可変抵抗素子（９）は、
前記第１電極（１１ａ）及び前記第２電極間（１１ｂ）に挟まれて形成された可変抵抗素材（１２）をさらに備え、
前記可変抵抗素材（１２）の膜厚は、０．１ｍｍ以上、０．３７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。The variable resistance element (9) is:
A variable resistance material (12) formed between the first electrode (11a) and the second electrode (11b);
The semiconductor device according to claim 9, wherein a film thickness of the variable resistance material (12) is 0.1 mm or more and 0.37 mm or less. 前記可変抵抗素子（２１０）は、負の温度係数を有する素子であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の半導体装置。 9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistance element (210) is an element having a negative temperature coefficient. 前記可変抵抗素子（２１０）は、
前記第１電極（２１１ａ）及び前記第２電極（２１１ｂ）間に挟まれた可変抵抗素材（２２０）をさらに備え、
前記可変抵抗素材（２２０）の膜厚は、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。The variable resistance element (210) includes:
A variable resistance material (220) sandwiched between the first electrode (211a) and the second electrode (211b);
The semiconductor device according to claim 11, wherein a film thickness of the variable resistance material (220) is 0.1 mm or more and 0.5 mm or less. 前記可変抵抗素材（２２０）の膜厚は、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
13. The semiconductor device according to claim 12, wherein the variable resistance material (220) has a thickness of 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
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